一种基于激光通信的列车防撞系统及其使用方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于激光通信的列车防撞系统及其使用方法，本发明的列车防撞系统包括在待测路段上运行的前列车和后列车，其特征在于还包括询问单元、应答单元、信号综合处理单元、示警单元、激光传播器和不间断供电电源；所述询问单元设置在待测路段的后列车前端、应答单元相向设置在待测路段的前列车后端、信号综合处理单元根据前列车和后列车之间的激光通信信号以及激光在空气中的传播性质和“距离=光速×运行时间”的公式，可准确判断并得到前列车和后列车之间的距离值，且不受恶劣环境的限制，使用方法简便可靠、准确性高和效率高，能够有效地避免轨道交通管控中因列车发生追尾或对撞等碰撞事故而造成生命和财产损失。
【专利说明】一种基于激光通信的列车防撞系统及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于轨道交通通信【技术领域】，特别是涉及一种基于激光通信的列车防撞系统及其使用方法。
【背景技术】
[0002]在现代城市轨道交通管控中，行车精确测距是行车安全的重要手段。准确判断前后两车之间的车距，便于行车系统的协调监控，安排各车辆的出发、运行和等待时间，同时也使得后车的驾驶者完全掌握与前车的车距，在保证安全的前提下，灵活选择车速，有效避免列车因发生追尾或对撞等碰撞事故而造成的生命和财产损失。
[0003]现有行车测距主要是采用交通通信信号无线收发的方式，通常是由列车自动控制系统(Automatic Train Control, ATC)来实现，ATC系统是利用列车和地面之间的双向数据通信来完成行车测距任务。尽管ATC系统应用技术已经成熟，然而ATC系统受外部环境干扰因素的影响以及自身测距可靠性精度的影响，行车安全事故依然时有发生。
[0004]为克服ATC系统存在的不足，当今又出现了许多优于ATC系统的行车防撞方法，如卫星定位、图像识别、防撞雷达等，但这些行车防撞方法大多是基于电磁波感测或探测条件下的防撞机制，对长时间行车在隧道内的轨道列车仍然没有从根本上解决问题，其主要不足在于:一是在隧道尤其是长距离隧道内，轨道列车无法利用电磁波直接与隧道外部的中继(如卫星等)建立不间断可靠通信；二是隧道内的曲率和狭小的空间等因素限制了车载图像感测方法的有效作用距离；三是由于隧道中内部设施的影响和空间的限制，隧道内中高频电磁波衰减快、回波复杂，且行车线路有上下起伏坡度和弯道，造成探测盲区，因而电磁波雷达在隧道内无法发挥有效作用。
[0005]如何克服现有技术的不足已成为当今轨道交通通信【技术领域】中亟待解决的重大
难题之一。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为克服现有技术存在的不足而提供一种基于激光通信的列车防撞系统及使用方法，本发明不受外部环境干扰因素的影响，保证列车在待测路段的直道、弯道和坡道行驶中实现可靠的激光测距，从而有效地避免轨道交通管控中因列车发生追尾或对撞等碰撞事故而造成生命和财产损失。
[0007]根据本发明提出的一种基于激光通信的列车防撞系统，它包括在待测路段上运行的前列车和后列车，其特征在于还包括询问单元、应答单元、信号综合处理单元、示警单元、激光传播器和不间断供电电源；所述询问单元设置在待测路段的后列车前端、应答单元相向设置在待测路段的前列车后端；所述询问单元包括激光发射装置、激光接收装置和解码器，该激光接收装置与解码器输入端信号连接；所述应答单元包括激光探测装置、激光调制器、检测处理器和反射棱镜，该激光调制器分别与激光探测装置和检测处理器信号连接；所述信号综合处理单元包括计时模块、判断模块和显示模块，该计时模块输出端与判断模块输入端信号连接，该判断模块输出端与显示模块输入端信号连接，该显示模块输出端与显示屏信号连接；所述询问单元的激光发射装置与信号综合处理单元的计时模块信号连接，所述询问单元的解码器输出端与信号综合处理单元输入端信号连接，所述信号综合处理单元的判断模块输出端与示警单元输入端信号连接，该示警单元输出端与列车制动器信号连接；激光传播器包括用于激光传播的光纤、用于补偿激光衰减的激光放大电路和用于接收传播激光的透镜，每个激光传播器设置于待测路段的各个拐弯点或坡道点上；所述不间断供电电源输出端分别与询问单元、应答单元、信号综合处理单元、示警单元和激光传播器组的输入端连接。
[0008]本发明所述列车防撞系统的进一步优选方案是:本发明所述询问单元设置在待测路段的后列车前端、应答单元相向设置在待测路段的前列车后端是指，该询问单元设置在后列车的车头顶部，该应答单元设置在前列车的尾部；所述询问单元(2)的激光发射装置发射的激光波长为1.55nm、激光脉冲的频率为IkHz?2kHz ;所述示警单元为设置于列车驾驶室内的示警灯或示警喇叭；所述不间断供电电源至少为2个；所述不间断供电电源的最大配置功率为1000VA、输入电压为160V?200V、输入电压频率为50/60Hz+/-3Hz、输出电压为220V和输出频率为50Hz。
[0009]本发明提出的一种基于激光通信的列车防撞系统的使用方法，其特征是基于本发明所述的一种基于激光通信的列车防撞系统为条件，其使用过程包括如下具体步骤:
[0010]步骤一，后列车激光经由激光编码器对无特征激光进行编码，编码后激光经激光调制器调制成激光询问码和待调制码两部分激光信号，通过激光发射装置发射该激光信号；其中:激光发射装置发射的激光波长为1.55 μ m、激光脉冲的频率为IkHz?2kHz ；
[0011]步骤二，前列车将步骤一发射的激光询问信号经激光探测装置捕获并传送到检测处理器，该检测处理器判断前列车询问码的准确性；如果检测处理器判断询问码是后列车发送的激光信号，则进行步骤三，否则不作处理；
[0012]步骤三，将前列车接收的待调制码激光信号经激光调制器调制，调制后的信号为应答调制码激光信号，将应答调制码激光信号通过反射棱镜发射到后列车；
[0013]步骤四，应答调制码激光信号由后列车询问单元部件中的激光接收装置接收，激光解码器对应答调制码激光信号进行解码，解码后的激光信号送到激光信号综合处理单元；其中:所述询问码、待调制码、应答调制码是按时序间歇的单频率激光脉冲信号，或是按时序间歇发射的多频率激光脉冲信号序列，或是按时序持续发射的多频率激光脉冲信号序列，或是按时序间歇发射的调幅激光脉冲信号，或是按时序间歇发射的调频激光脉冲信号;
[0014]步骤五，信号综合处理单元的计时模块对激光发射和计算过程计时，利用公式S=v Δ t/2计算前列车与后列车之间的距离，判断模块判断计算后的距离S是否小于设定的安全距离Stl ;如果小于安全距离Stl，则信号综合处理单元将发送信号到示警单元，示警单元发出警报，并通知列车驾驶人员控制列车刹车系统对列车进行紧急刹车制动；否则不动作，在待测路段上运行的前列车和后列车处于正常运行状态。
[0015]本发明的实现原理是:本发明的激光发射装置发射出激光询问码信号和待调制码信号，激光探测装置接收激光询问码信号，判断是否符合后列车的询问码信号，在吻合的情况下，激光调制器将激光探测装置接收到的待调制码信号转化为应答调制码信号，该询问码信号、待调制码信号和应答调制码信号是按时序间歇的单频率激光脉冲信号，或是按时序间歇发射的多频率激光脉冲信号序列，或是按时序持续发射的多频率激光脉冲信号序列，或是按时序间歇发射的调幅激光脉冲信号，或是按时序间歇发射的调频激光脉冲信号；激光接收装置接收调制码信号，经激光解码器将原先编码的激光信号解码送到信号综合处理单元；该信号综合处理单元根据激光在空气中的传播性质和“距离=光速X运行时间”的公式，可准确判断并得到前列车与后列车之间的距离值，且不受恶劣环境的限制，其操作简单、准确性高和效率高。
[0016]本发明与现有技术相比其显著优点在于:一是本发明的列车防撞系统采用激光来探测列车是否有碰撞前方障碍物的风险，不受外部环境干扰因素的影响，不依赖于现有的信号、通信等设备和系统，只输出单向指令，具有很强的可靠性；二是本发明的列车防撞系统的识别定位精度高，抗电磁干扰，抗原子辐射，信号传递通道窄，保密性好；三是本发明的列车防撞系统保证列车在待测路段的直道、弯道和坡道行驶中实现可靠的激光测距，有效地解决了在弯道和坡道特殊路段应用的难题；四是本发明的列车防撞系统通过显示装置显示激光测距距离，以供使用者实时参读判断；五是本发明的列车防撞系统的使用方法简单可靠，维护方便，适用于城市轨道交通的管控系统。本发明能够有效地避免轨道交通管控中因列车发生追尾或对撞等碰撞事故而造成生命和财产损失。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的列车防撞系统的逻辑结构示意图。
[0018]图2是本发明的列车防撞系统的在线直道运行示意图。
[0019]图3-1是本发明的列车防撞系统的在线一个弯道运行示意图。
[0020]图3-2是本发明的列车防撞系统的在线两个弯道运行示意图。
[0021]图4是本发明的列车防撞系统中前后列车激光信号匹配程序流程示意图。
[0022]图5是本发明的激光信号调制码信号生成示意图。
【具体实施方式】
[0023]以下将结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0024]实施例1。以本发明提出的一种基于激光通信的列车防撞系统在待测路段的直道上使用为例，具体步骤如下:
[0025]结合图1，本发明所述询问单元设置在待测路段的后列车前端、应答单元相向设置在待测路段的前列车后端。
[0026]首先在后列车(1-1)车头顶部设置的询问单元(2)，通过其内设的激光发射装置向前方前列车(1-2)方向发射激光询问信号，此时，激光发射装置发射的激光波长为
1.55 μ m、激光脉冲的频率为IkHz?2kHz，传输稳定，效果好；同时信号综合处理单元的计时模块开始计时，得到初始时间h，该h通常默认为O ;然后位于前列车(1-2)车尾处的应答单元(3)中的激光探测装置自动捕捉激光询问信号，并将激光询问信号传送到激光调制器中，该激光调制器将接收到的激光询问信号解码转化成询问码信号和待调制码信号，此时，询问码和待调制码是按时序间歇的单频率激光脉冲信号，根据信号类型不同，也可选择按时序间歇发射的多频率激光脉冲信号序列，或者按时序持续发射的多频率激光脉冲信号序列，或者按时序间歇发射的调幅激光脉冲信号，或者按时序间歇发射的调频激光脉冲信号；询问码信号和待调制码信号的形成有短时间的时间间隔，如图5所示。
[0027]接下来，如图4所示，询问码信号先行传送到激光探测装置，因询问单元(2)与应答单元(3)为相对应单元，发出的询问码信号必须相互匹配；检测处理器内部可预先设置好相对应的匹配信号，然后将收到的询问码信号与其进行检测；若检测处理器检测询问码信号后发现与前列车(1-2)所发出的信号不匹配，则该次接收到的询问码为干扰信号，检测处理器无反应，装置结束工作流程，以此来避免多个探测判断装置同时工作或多个激光发射装置同时发射信号时出现互相干扰的情况，大大提高了工作效率，保证了工作的可靠性；
[0028]若检测处理器检测询问码信号后发现与前列车(1-2)所发出的信号匹配，则表示接收正确，检测处理器发出控制信号，控制激光调制器将短时间时间间隔后形成的待调制码转化为应答调制码信号，此时应答调制码是单频率激光脉冲信号，根据信号类型不同，也可选择按时序发射的多频率激光脉冲信号序列，或者调幅激光脉冲，或者调频激光脉冲；应答调制码信号通过应答单元的反射棱镜反射，再次回传到询问单元(2)方向；
[0029]询问单元(2)中的激光接收装置接收应答调制码信号，经解码器解码后通过输入/输出的连接，传送到信号综合处理单元，此时信号综合处理单元的计时模块停止计时，得到时间t2 ；
[0030]由询问单元(2)的激光发射装置向前方发射激光询问信号开始，直至再次反射并最终通过激光接收装置接收到应答调制码信号，得到时间差Λ t=t2-tv计时模块自动通过输入/输出端将Λ t传入判断模块中；
[0031]根据激光在空气中的传播性质和传播速度V，通过公式s=vt，即可利用光的传播特性和数学公式得出正确的待测距离值，由询问单元(2)内的激光发射装置向前方发射激光询问信号开始，直至再次反射并最终通过激光接收装置接收到应答码信号为止，此时At是激光在待测距离内一往返的时间，故待测距离的正确值为S=V Δ t/2 ;判断模块接收到传来的At后，通过数学公式的计算，得出准确距离值S，该数值通过信号综合处理单元的显示模块显示，方便列车驾驶人员观测；
[0032]在上述判断模块中预先设置参考车距值S1，将计算完成的S与S1进行比较，当SW1时，探测判断装置无反应，当S〈Si时,通过判断模块与示警单元的相连接,判断模块启动示警单元，发出示警信号，以此来提醒使用者目前距离已达危险值，同时判断模块发出的示警信号，通知列车驾驶人员控制列车刹车系统，防止列车发生追尾事故。
[0033]本发明所述列车防撞系统设有2个不间断电源，所述不间断电源规格:配置功率为800VA、输入电压为160V?200V、输入电压频率为50Hz±3Hz、输出电压220V和输出频率50Hz，不间断电源输出端与询问单元(2)、应答单元(3)、信号综合处理单元及示警单元输入端连接，用来向激光发射装置、激光接收装置、激光探测装置、激光调制器、检测处理器、信号综合处理单元和示警单元供电，保证各部件正常而有序地工作，克服了列车在连续运行状态下难以保证稳定供电的问题，且不间断电源占地面积小、拆卸方便、使用独立，与列车防撞系统其它部件的正常工作无直接关联。
[0034]实施例2。以本发明提出的一种基于激光通信的列车防撞系统在待测路段的弯道或坡道上使用为例，具体应用步骤如下:[0035]结合图3-1和图3-2，本发明所述询问单元(2)设置在待测路段的后列车(1-1)前端、应答单元(3)相向设置在待测路段的前列车(1-2)后端、每个待测路段的各个拐弯点或者坡道点设置激光传播器(4 )。
[0036]本实施例2与实施例1的不同之处在于:实施例1中的前列车(1-2)和后列车(1-1)处于待测路段的直道上运行，前后两列车之间通过激光信号可以快速有效地进行通信；而本实施例2中的前列车(1-2)和后列车(1-1)处于待测路段的弯道或坡道上运行，SP前列车(1-2)和后列车(1-1)不在同一通信平面上。因此，本实施例2的列车防撞系统还包括有多个激光传播器(4)，激光传播器(4)包括用于激光传播的光纤、用于补偿激光衰减的激光放大电路和用于接收传播激光的透镜，每个激光传播器(4)均设置于待测路段的各个拐弯点或者坡道点上；当前列车(1-2)与后列车(1-1)的之间存在一个或多个拐弯点或者坡道点时，后列车(1-1)车头顶部发来的激光询问信号通过安装在拐弯点或者坡道点处的激光传播器(4)可以向前方继续传播，激光传播器(4)使激光在光纤中传播实现角度变化后经激光放大电路放大及透镜发射后继续传射，直至被安装在前列车(1-2)车尾部的激光探测装置捕捉获取，以实现正常的判断防撞功能。若检测处理器检测询问码信号后发现与前列车(1-2)所发出的信号不匹配，则该次接收到的询问码为干扰信号，检测处理器无反应，装置结束工作流程，若检测处理器检测询问码信号后发现与前列车(1-2)所发出的信号匹配，则表示接收正确，检测处理器发出控制信号，控制激光调制器将短时间时间间隔后形成的待调制码转化为应答调制码信号，应答调制码信号通过应答单元(3)的反射棱镜反射，再次回传到询问单元(2)方向。激光通信技术是实现运动目标相互之间识别的最有效方法之一，因此，本发明的识别定位精度高，抗电磁干扰，抗原子辐射，信号传递通道窄，保密性好，且结构紧凑和体积小，在待测路段有直道、弯道和坡道相接的情况下，只需在待测路段的弯道和坡道处增设激光传播器，激光通信即可适用于有弯道和坡道的待测路段地形，扩大了本发明的使用范围。
[0037]本发明的【具体实施方式】中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。
[0038]以上【具体实施方式】及实施例是对本发明提出的一种基于激光通信的列车防撞系统及其使用方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
【权利要求】
1.一种基于激光通信的列车防撞系统，它包括在待测路段上运行的前列车(1-2)和后列车(1-1)，其特征在于还包括询问单元(2)、应答单元(3)、信号综合处理单元、示警单元、激光传播器(4)和不间断供电电源；所述询问单元(2)设置在待测路段的后列车前端、应答单元(3)相向设置在待测路段的前列车后端；所述询问单元(2)包括激光发射装置、激光接收装置和解码器，该激光接收装置与解码器输入端信号连接；所述应答单元(3)包括激光探测装置、激光调制器、检测处理器和反射棱镜，该激光调制器分别与激光探测装置和检测处理器信号连接；所述信号综合处理单元包括计时模块、判断模块和显示模块，该计时模块输出端与判断模块输入端信号连接，该判断模块输出端与显示模块输入端信号连接，该显示模块输出端与显示屏信号连接；所述询问单元(2)的激光发射装置与信号综合处理单元的计时模块信号连接，所述询问单元(2)的解码器输出端与信号综合处理单元输入端信号连接，所述信号综合处理单元的判断模块输出端与示警单元输入端信号连接，该示警单元输出端与列车制动器信号连接；激光传播器(4)包括用于激光传播的光纤、用于补偿激光衰减的激光放大电路和用于接收传播激光的透镜，每个激光传播器(4)设置于待测路段的各个拐弯点或坡道点上；所述不间断供电电源输出端分别与询问单元(2)、应答单元(3)、信号综合处理单元、示警单元和激光传播器组的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光通信的列车防撞系统，其特征在于所述询问单元(2)设置在待测路段的后列车前端、应答单元(3)相向设置在待测路段的前列车后端是指，该询问单元(2)设置在后列车的车头顶部，该应答单元(3)设置在前列车的尾部。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光通信的列车防撞系统，其特征在于所述询问单元(2)的激光发射装置发射的激光波长为1.55nm、激光脉冲的频率为IkHz~2kHz。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于激光通信的列车防撞系统，其特征在于所述示警单元为设置于列车驾驶室内的示警灯或示警喇叭。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种基于激光通信的列车防撞系统，其特征在于所述不间断供电电源至少为2个。`
6.根据权利要求5所述的一种基于激光通信的列车防撞系统,其特征在于所述不间断供电电源的最大配置功率为1000VA、输入电压为160V~200V、输入电压频率为50/60Hz+/-3Hz、输出电压为220V和输出频率为50Hz。
7.一种基于激光通信的列车防撞系统的使用方法，其特征是基于权利要求1所述的一种基于激光通信的列车防撞系统为条件，其使用过程包括如下具体步骤: 步骤一，后列车激光经由激光编码器对无特征激光进行编码，编码后激光经激光调制器调制成激光询问码和待调制码两部分激光信号，通过激光发射装置发射该激光信号；其中:激光发射装置发射的激光波长为1.55nm、激光脉冲的频率为IkHz~2kHz ； 步骤二，前列车将步骤一发射的激光询问信号经激光探测装置捕获并传送到检测处理器，该检测处理器判断前列车询问码的准确性；如果检测处理器判断询问码是后列车发送的激光信号，则进行步骤三，否则不作处理； 步骤三，将前列车接收的待调制码激光信号经激光调制器调制，调制后的信号为应答调制码激光信号，将应答调制码激光信号通过反射棱镜发射到后列车； 步骤四，应答调制码激光信号由后列车询问单元(2)部件中的激光接收装置接收，激光解码器对应答调制码激光信号进行解码，解码后的激光信号送到激光信号综合处理单元；其中:所述询问码、待调制码、应答调制码是按时序间歇的单频率激光脉冲信号，或是按时序间歇发射的多频率激光脉冲信号序列，或是按时序持续发射的多频率激光脉冲信号序列，或是按时序间歇发射的调幅激光脉冲信号，或是按时序间歇发射的调频激光脉冲信号; 步骤五，信号综合处理单元的计时模块对激光发射和计算过程计时，利用公式S=v Δ t/2计算前列车与后列车之间的距离，判断模块判断计算后的距离S是否小于设定的安全距离Stl ;如果小于安全距离Stl，则信号综合处理单元将发送信号到示警单元，示警单元发出警报，并通知列车驾驶人员控制列车刹车系统对列车进行紧急刹车制动；否则不动作，在待测路段上运行的前列车和后列车处于`正常运行状态。
【文档编号】B61L23/34GK103847765SQ201410122859
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】胡文斌, 孙其升, 吕建国, 陈磊, 胡阳, 刘兆青 申请人:南京理工大学